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DE102015101817B4 - PIEZOELECTRIC DEVICE, PIEZO ACTUATOR, HARD DRIVE AND INKJET PRINTER - Google Patents

PIEZOELECTRIC DEVICE, PIEZO ACTUATOR, HARD DRIVE AND INKJET PRINTER Download PDF

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DE102015101817B4
DE102015101817B4 DE102015101817.9A DE102015101817A DE102015101817B4 DE 102015101817 B4 DE102015101817 B4 DE 102015101817B4 DE 102015101817 A DE102015101817 A DE 102015101817A DE 102015101817 B4 DE102015101817 B4 DE 102015101817B4
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piezo
field
electric field
piezoelectric
layer
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c/o TDK Corporation Aida Yasuhiro
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Abstract

Piezoelektrische Vorrichtung mit einem Piezoelement umfassend eine Piezoschicht und Elektrodenschichten, zwischen denen die Piezoschicht angeordnet ist, und mit einer Treiberschaltung, die ein elektrisches Treiberfeld mit Wechselstrom über die Elektrodenschichten an die Piezoschicht anlegt, wobei die Polarisierbarkeit γ der Piezoschicht beim Anlegen eines elektrischen Feldes bis zur Sättigungspolarisation kleiner als 1 × 10-9(C/(V·m) beträgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Treiberschaltung ein Mittel, das den Minimalwert des elektrischen Treiberfeldes auf größer als das positive elektrische Koerzitivfeld der Piezoschicht einstellt, und ein Mittel, das den Maximalwert des elektrischen Treiberfeldes auf kleiner als (Pm' (Maximalwert der Polarisation) - Pr' (Quasi-Restpolarisation)) / (1 × 10-9) einstellt, aufweist, wobei die Polarisierbarkeit y = (Pm (Sättigungspolarisation) - Pr (Restpolarisation)) / Ed (Maximalwert des angelegten elektrischen Feldes) beträgt.Piezoelectric device with a piezo element comprising a piezo layer and electrode layers, between which the piezo layer is arranged, and with a driver circuit that applies an electric driver field with alternating current via the electrode layers to the piezo layer, the polarizability γ of the piezo layer when an electric field is applied up to Saturation polarization is less than 1 × 10-9 (C / (V · m), characterized in that the driver circuit has a means which sets the minimum value of the driving electric field to be greater than the positive electric coercive field of the piezo layer, and a means which sets the Maximum value of the electric driver field to less than (Pm '(maximum value of the polarization) - Pr' (quasi-residual polarization)) / (1 × 10-9), the polarizability y = (Pm (saturation polarization) - Pr (residual polarization )) / Ed (maximum value of the applied electric field).

Description

Gebiet der ErfindungöField of Invention

Die vorliegende Erfindung betrifft eine piezoelektrische Vorrichtung, die ein Piezoelement mit einer Piezoschicht und eine Treiberschaltung aufweist, die ein elektrisches Treiberfeld zum Anlegen an die Piezoschicht steuert, und einen Piezoaktor, der die piezoelektrische Vorrichtung verwendet, sowie ein Festplattenlaufwerk und einen Tintenstrahldruckerapparat mit dem Piezoaktor.The present invention relates to a piezoelectric device comprising a piezo element with a piezo layer and a drive circuit which controls an electric drive field to be applied to the piezo layer, and a piezo actuator using the piezoelectric device, as well as a hard disk drive and an ink jet printer apparatus with the piezo actuator.

Stand der TechnikState of the art

In der letzten Zeit schreitet die praktische Anwendung des Piezoelements unter Verwendung von piezoelektrischen Dünnschichtmaterialien anstelle von piezoelektrischen Massivmaterialien fort. Beispiele dafür sind Kreiselsensor, Drucksensor, Pulswellensensor, Stoßsensor oder Mikrofon als piezoelektrische Sensoren anhand des piezoelektrischen Effekts, bei dem die auf die Piezoschicht wirkende Kraft in eine Spannung umgewandelt wird. Es gibt auch Festplattenlaufwerk-Kopfgleiter und Tintenstrahldruckkopf als Piezoaktor anhand des inversen piezoelektrischen Effekts, bei dem die Piezoschicht verformt wird, wenn ein elektrisches Feld an die Piezoschicht angelegt wird. Als weiteres sind noch Lautsprecher, Summer, Resonator usw. zu nennen, die ebenfalls den inversen piezoelektrischen Effekt nutzen.Recently, the practical application of the piezo element using thin-film piezoelectric materials in place of solid piezoelectric materials is advancing. Examples of this are gyro sensors, pressure sensors, pulse wave sensors, shock sensors or microphones as piezoelectric sensors based on the piezoelectric effect, in which the force acting on the piezo layer is converted into a voltage. There are also hard disk drive head sliders and ink jet printheads as piezo actuators based on the inverse piezoelectric effect, in which the piezo layer is deformed when an electric field is applied to the piezo layer. Loudspeakers, buzzers, resonators, etc. should also be mentioned, which also use the inverse piezoelectric effect.

Außerdem ermöglicht die Reduzierung der Dicke eines piezoelektrischen Materials die Verkleinerung der Elemente, so dass deren Anwendungsbereich erweitert und die Produktivität gestiegen wird, da eine große Anzahl des Elements auf einmal auf einem Substrat hergestellt werden kann. Ferner gibt es viele Vorteile in Bezug auf die Leistung wie beispielsweise die Erhöhung der Empfindlichkeit, wenn es sich um einen Sensor handelt.In addition, reducing the thickness of a piezoelectric material makes it possible to downsize the elements, so that the application range thereof is expanded and productivity is increased, since a large number of the element can be fabricated at one time on one substrate. Also, there are many performance benefits such as increasing sensitivity when it is a sensor.

Dokument aus Stand der TechnikPrior art document

PatentliteraturPatent literature

Patentliteratur 1: Japanische Veröffentlichte Ungeprüfte Patentanmeldung Nr. JP H05-114760 A Patent Literature 1: Japanese Published Unexamined Patent Application No. JP H05-114760 A

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

AufgabenstellungTask

Beim Anlegen eines elektrischen Feldes an einen piezoelektrischen Körper findet eine Polarisation am piezoelektrischen Körper statt, sodass eine Hysterese als Ablauf einer Veränderung der Polarisationsrichtung beobachtet wird. Beim piezoelektrischen Körper, bei dem die Veränderung der Polarisation gegenüber dem anzulegenden elektrischen Feld klein ist und sich eine Hysterese mit einem großen Rechteckigkeitsverhältnis zeigt, ereignet sich trotz der Wertänderung des anzulegenden elektrischen Feldes keine signifikante Änderung der piezoelektrischen Eigenschaften. Beim piezoelektrischen Körper hingegen, bei dem sich eine Hysterese mit einem geringen Rechteckigkeitsverhältnis zeigt, ergeben sich dahingehend Probleme, dass in Abhängigkeit von den Bedingungen des anzulegenden elektrischen Feldes keine ausreichenden piezoelektrischen Eigenschaften erhalten werden, oder dass durch einen dauerhaften Antrieb des Piezoelements die Wahrscheinlichkeit der Polarisationsverschlechterung oder der Verminderung der Belastbarkeit erhöht wird. Im Allgemeinen ist das Rechteckigkeitsverhältnis bei der verdünnten Piezoschicht im Vergleich zum piezoelektrischen Körper aus einem Massenmaterial kleiner. Diese Tendenz ist bei einer Piezoschicht, die kein Blei enthält, besonders ausgeprägt.When an electric field is applied to a piezoelectric body, polarization takes place on the piezoelectric body, so that a hysteresis is observed as the course of a change in the direction of polarization. In the case of the piezoelectric body, in which the change in polarization is small compared to the electric field to be applied and a hysteresis with a large squareness ratio is shown, there is no significant change in the piezoelectric properties despite the change in value of the electric field to be applied. In the case of the piezoelectric body, on the other hand, in which a hysteresis with a low squareness ratio is shown, problems arise that, depending on the conditions of the electric field to be applied, insufficient piezoelectric properties are obtained, or that permanent drive of the piezo element increases the likelihood of polarization deterioration or the reduction in resilience is increased. In general, the squareness ratio of the thinned piezo layer is smaller compared to the piezoelectric body made of a bulk material. This tendency is particularly pronounced with a piezo layer that does not contain lead.

1 zeigt eine P-E (Polarisation - elektrisches Feld)-Hysterese für den Fall, in dem ein elektrisches Feld auf der Piezoschicht mit einer Hysterese mit relativ kleinem Rechteckigkeitsverhältnis an den positiven und den negativen Pol bis zur Sättigungspolarisation angelegt wird. Die elektrischen Felder, in denen die Polarisation 0 beträgt, sind jeweils das positive und negative elektrische Koerzitivfeld Ec+ und Ec-. 1 shows a PE (polarization - electric field) hysteresis for the case in which an electric field on the piezo layer with a hysteresis with a relatively small squareness ratio is applied to the positive and negative poles up to the saturation polarization. The electric fields in which the polarization is 0 are positive and negative coercive electric fields Ec + and Ec-, respectively.

In Bezug auf die oben genannte Aufgabe zeigt die in der Patentliteratur 1 beschriebene Technik auf, dass die Abnahme des Ausmaßes der Polarisation bei einem dauerhaften Antrieb des Piezoaktors sowohl bei hohen Temperaturen als auch unter hohem Druck durch das Verfahren zu überwinden ist, beim Antrieb eines Piezoaktors ein immer positives elektrisches Feld an einen piezoelektrischen Körper anzulegen. Weil das Verfahren aber ein piezoelektrisches Massivmaterial als piezoelektrischen Körper voraussetzt, kann es bei der Anwendung des Verfahrens für eine dünne Piezoschicht leicht zur Zerstörung der Membran führen, auch wenn die Piezoschicht ein elektrisches Feld angelegt, bei dem keine Polarisationsverschlechterung stattfindet. Wenn übrigens ein elektrisches Feld angelegt wird, das kleiner als das elektrische Koerzitivfeld ist, kann das zwar zur Verringerung der Polarisationsverschlechterung beitragen, aber kein ausreichendes Ausmaß an Verschiebung erreichen.With regard to the above-mentioned object, the technique described in Patent Literature 1 shows that the decrease in the degree of polarization with a permanent drive of the piezo actuator both at high temperatures and under high pressure can be overcome by the method when driving a piezo actuator to apply an always positive electric field to a piezoelectric body. Because the process requires a solid piezoelectric material as the piezoelectric body, it can be used in the Use of the method for a thin piezo layer can easily lead to the destruction of the membrane, even if the piezo layer is applied an electric field in which no deterioration in polarization occurs. Incidentally, if an electric field smaller than the coercive electric field is applied, it may contribute to the reduction in polarization deterioration, but it may not achieve a sufficient amount of displacement.

Die vorliegende Erfindung entstand in Anbetracht der Aufgaben des oben genannten Standes der Technik und setzt ihr Ziel darin, aufgrund der dielektrischen Eigenschaften der verwendeten Piezoschicht, das an die Piezoschicht anzulegende, elektrische Treiberfeld durch die Treiberschaltung einer piezoelektrischen Vorrichtung zu steuern und dadurch eine gute Leistung in der piezoelektrischen Vorrichtung zu erzeugen.The present invention was made in view of the objects of the above-mentioned prior art and its aim is to control the electric drive field to be applied to the piezo layer by the drive circuit of a piezoelectric device and thereby a good performance in due to the dielectric properties of the piezo layer used of the piezoelectric device.

Lösung der AufgabeSolution of the task

Für die Realisierung des oben genannten Ziels handelt es sich um die erfindungsmäßige piezoelektrische Vorrichtung mit einem Piezoelement umfassend eine Piezoschicht und die Elektrodenschichten, zwischen denen die Piezoschicht angeordnet ist, und mit einer Treiberschaltung, die ein elektrisches Treiberfeld mit Wechselstrom über die Elektrodenschichten an die Piezoschicht anlegt, wobei die Polarisierbarkeit y der Piezoschicht beim Anlegen eines elektrischen Feldes bis zur Sättigungspolarisation bei kleiner als 1×10-9(C/(V·m)) liegt, und die Treiberschaltung ein Mittel, das den Minimalwert des elektrischen Treiberfeldes auf größer als das positive elektrische Koerzitivfeld der Piezoschicht einstellt, und ein Mittel, das den Maximalwert des elektrischen Treiberfeldes auf kleiner als (Pm' (Maximalwert der Polarisation) - Pr' (Quasi-Restpolarisation)) / (1 × 10-9) einstellt, aufweist. Hierbei beträgt Polarisierbarkeit: y = (Pm (Sättigungspolarisation) - Pr (Restpolarisation)) / Ed (Maximalwert des anzulegenden elektrischen Feldes), wobei die Einheit der Polarisation (C/m2) und die Einheit des elektrischen Feldes (V/m) betragen.For the realization of the above-mentioned goal, the piezoelectric device according to the invention is concerned with a piezo element comprising a piezo layer and the electrode layers, between which the piezo layer is arranged, and with a driver circuit that applies an electric driver field with alternating current to the piezo layer via the electrode layers , wherein the polarizability y of the piezo layer when an electric field is applied up to saturation polarization is less than 1 × 10 -9 (C / (V m)), and the driver circuit means that the minimum value of the electric driver field is greater than that sets positive electric coercive field of the piezo layer, and a means which sets the maximum value of the electric driving field to less than (Pm '(maximum value of polarization) - Pr' (quasi-residual polarization)) / (1 × 10 -9 ). Here polarizability is: y = (Pm (saturation polarization) - Pr (residual polarization)) / Ed (maximum value of the electric field to be applied), where the unit of polarization is (C / m 2 ) and the unit of the electric field is (V / m) .

Wie oben beschrieben, ereignet sich bei einem piezoelektrischen Körper, dessen Polarisierbarkeit y bei Sättigung nahe 0 liegt, und bei dem eine Hysterese mit großem Rechteckigkeitsverhältnis gezeigt wird, keine signifikante Veränderung der erhaltenen piezoelektrischen Eigenschaften trotz der Wertänderung des anzulegenden elektrischen Feldes.As described above, in a piezoelectric body whose saturation polarizability y is close to 0 and which exhibits a hysteresis with a large squareness ratio, no significant change in the obtained piezoelectric properties occurs despite the change in the value of the electric field to be applied.

Bei der piezoelektrischen Vorrichtung wird das Ausmaß der Verschiebung des Piezoelements dadurch erweitert, dass der Minimalwert des an die Piezoschicht anzulegenden elektrischen Treiberfeldes auf größer als das positive elektrische Koerzitivfeld eingestellt wird, weil die Polarisationsrichtungen der die Piezoschicht konfigurierenden Kristallpartikel dadurch aufeinander abgestimmt werden. Des Weiteren kann ein größeres Ausmaß der Verschiebung dadurch erreicht werden, dass der Maximalwert des elektrischen Treiberfeldes auf kleiner als (Pm' (Maximalwert der Polarisation) - Pr' (Quasi-Restpolarisation)) / (1 × 10-9) eingestellt wird, weil eine Verschiebung erzielt wird, die auf die Drehung der elektrischen Dipole in der Domäne der die Piezoschicht konfigurierenden Kristallpartikel zurückzuführen ist.In the piezoelectric device, the extent of the displacement of the piezo element is expanded by setting the minimum value of the electrical driver field to be applied to the piezo layer to be greater than the positive electrical coercive field, because the polarization directions of the crystal particles configuring the piezo layer are thereby coordinated with one another. Furthermore, a greater degree of displacement can be achieved by setting the maximum value of the electric driver field to less than (Pm '(maximum value of polarization) - Pr' (quasi-residual polarization)) / (1 × 10 -9 ) because a shift is achieved which is due to the rotation of the electrical dipoles in the domain of the crystal particles configuring the piezo layer.

2 zeigt eine P-E-Hysterese der Piezoschicht, bei der sich die Hysterese mit einem relativ geringen Rechteckigkeitsverhältnis zeigt, beim Anlegen eines elektrischen Feldes, bei dem die Polarisation nicht zur Sättigung geführt wird. Der Maximalwert der Polarisation Pm' stellt hier das Ausmaß der Polarisation der Piezoschicht beim Anlegen des Maximalwertes Ed des anzulegenden elektrischen Feldes in der Piezoschicht dar, während die Quasi-Restpolarisation Pr' das Ausmaß der Polarisation aufzeigt, wobei die P-E-Hysterese beim Anlegen bis zum Maximalwert Ed des anzulegenden elektrischen Feldes die Achse des anzulegenden elektrischen Feldes = 0 schneidet. Des Weiteren wird der Maximalwert des elektrischen Treiberfeldes auf kleiner als der Wert eingestellt, bei dem das anzulegende elektrische Feld (Pm' - Pr') / (1 × 10-9) beträgt, weil 1 × 10-9 der Polarisierbarkeit y der Piezoschicht entspricht, und es zu einer Zerstörung der Piezoschicht durch das Elektrostriktionseffekt führen kann, wenn das elektrische Feld an eine Piezoschicht angelegt wird, deren (Pm' - Pr) / Ed größer als 1 × 10-9 beträgt. 2 shows a PE hysteresis of the piezo layer, in which the hysteresis shows itself with a relatively low squareness ratio, when an electric field is applied, in which the polarization is not brought to saturation. The maximum value of the polarization Pm 'represents the extent of the polarization of the piezo layer when the maximum value Ed of the electric field to be applied is applied in the piezo layer, while the quasi-residual polarization Pr' shows the extent of the polarization, the PE hysteresis when applied up to Maximum value Ed of the electric field to be applied intersects the axis of the electric field to be applied = 0. Furthermore, the maximum value of the electric driver field is set to be smaller than the value at which the electric field to be applied is (Pm '- Pr') / (1 × 10 -9 ), because 1 × 10 -9 corresponds to the polarizability y of the piezo layer , and the piezo layer can be destroyed by the electrostriction effect if the electric field is applied to a piezo layer whose (Pm '- Pr) / Ed is greater than 1 × 10 -9 .

Die Piezoschicht der erfindungsmäßigen piezoelektrischen Vorrichtung weist auf der positiven und der negativen Seite des elektrischen Feldes jeweils ein elektrisches Koerzitivfeld auf. Die Treiberschaltung der piezoelektrischen Vorrichtung umfasst vorzugsweise ein Mittel, das in die Richtung mit einem kleinen Absolutwert des elektrischen Koerzitivfeldes ein positives elektrisches Feld, und in die Richtung mit einem großen Absolutwert des elektrischen Koerzitivfeldes ein negatives elektrisches Feld anlegt. Weil dadurch die piezoelektrischen Eigenschaften der Piezoschicht in einem größeren Bereich des elektrischen Feldes angetrieben werden können, kann das Ausmaß der Verschiebung der Piezoschicht noch erweitert werden.The piezo layer of the piezoelectric device according to the invention has an electric coercive field on the positive and the negative side of the electric field. The drive circuit of the piezoelectric device preferably comprises a means which applies a positive electric field in the direction with a small absolute value of the electric coercive field and a negative electric field in the direction with a large absolute value of the electric coercive field. Because this allows the piezoelectric properties of the piezo layer to be driven in a larger area of the electric field, the extent of the displacement of the piezo layer can be further expanded.

Die Treiberschaltung der erfindungsmäßigen piezoelektrischen Vorrichtung umfasst vorzugsweise ein Mittel, das den Minimalwert des elektrischen Treiberfeldes auf mehr als fünffach vom positiven elektrischen Koerzitivfeld der Piezoschicht und den Maximalwert des elektrischen Treiberfeldes auf weniger als fünfzigfach vom positiven elektrischen Koerzitivfeld der Piezoschicht einstellt. Weil dadurch die Verschiebung, die auf die Drehung der elektrischen Dipole in der Domäne der die Piezoschicht konfigurierenden Kristallpartikel zurückzuführen ist, vergrößert wird, kann das Ausmaß der Verschiebung der Piezoschicht noch erweitert werden.The driver circuit of the piezoelectric device according to the invention preferably comprises a means which sets the minimum value of the electrical driver field to more than five times the positive electrical coercive field of the piezo layer and the maximum value of the electrical driver field to less than fifty times the positive electrical coercive field of the piezo layer. Because this increases the displacement which can be attributed to the rotation of the electrical dipoles in the domain of the crystal particles configuring the piezo layer, the extent of the displacement of the piezo layer can be further expanded.

Die Piezoschicht der erfindungsmäßigen piezoelektrischen Vorrichtung besteht vorzugsweise aus Kaliumnatriumniobat. Die Wirkung des erhöhten Ausmaßes der Verschiebung durch die Einstellung des elektrischen Treiberfelds zeigt sich deutlich, weil bei Kaliumnatriumniobat das elektrische Koerzitivfeld kleiner als bei anderen Materialien ist, und die Domäne in der Kristallpartikel klein ist. Kaliumnatriumniobat kann auch Mn, Li, Ta, Ba, Sr, Zr als Zusatzstoffe enthalten.The piezo layer of the piezoelectric device according to the invention preferably consists of potassium sodium niobate. The effect of the increased amount of displacement by adjusting the driving electric field is clearly evident because the coercive electric field of potassium sodium niobate is smaller than that of other materials and the domain in the crystal particles is small. Potassium sodium niobate can also contain Mn, Li, Ta, Ba, Sr, Zr as additives.

Der erfindungsmäßige Piezoaktor weist die in der oben beschriebenen Konfiguration dargestellte piezoelektrische Vorrichtung auf. Als Piezoaktor sind in der konkreten Hinsicht die Kopfanordnung eines Festplattenlaufwerks, der Piezoaktor für einen Tintenstrahldruckkopf usw. zu nennen.The piezo actuator according to the invention has the piezoelectric device shown in the configuration described above. As a piezo actuator, the head arrangement of a hard disk drive, the piezo actuator for an inkjet print head, etc. should be mentioned in this specific respect.

Das Festplattenlaufwerk und der Tintenstrahldruckapparat der vorliegenden Erfindung verwenden den oben beschriebenen Piezoaktor.The hard disk drive and the ink jet printing apparatus of the present invention use the piezo actuator described above.

Wirkung der ErfindungEffect of the invention

Durch die piezoelektrische Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann eine Erhöhung der Leistung des Piezoaktors erzielt werden, wodurch ein Festplattenlaufwerk und ein Tintenstrahldruckerapparat mit hoher Leistung bereitgestellt werden kann.The piezoelectric device of the present invention can achieve an increase in the performance of the piezo actuator, whereby a hard disk drive and an ink jet printer apparatus with high performance can be provided.

FigurenlisteFigure list

Es zeigt:

  • [1] eine P-E-Hysterese im Sättigungszustand einer Piezoschicht nach der vorliegenden Ausführungsform,
  • [2] eine P-E-Hysterese bei dem Vorsättigungszustand einer Piezoschicht nach der vorliegenden Ausführungsform,
  • [3] einen Schaltplan für die Stromleitung einer piezoelektrischen Vorrichtung nach der vorliegenden Ausführungsform,
  • [4A] einen Aufbauplan für einen Piezoaktor nach der vorliegenden Ausführungsform,
  • [4B] einen Aufbauplan für einen Piezoaktor nach der vorliegenden Ausführungsform,
  • [5] einen Aufbauplan für ein Festplattenlaufwerk nach der vorliegenden Ausführungsform und
  • [6] einen Aufbauplan für einen Tintenstrahldruckerapparat nach der vorliegenden Ausführungsform.
It shows:
  • [ 1 ] a PE hysteresis in the saturation state of a piezo layer according to the present embodiment,
  • [ 2 ] a PE hysteresis in the presaturation state of a piezo layer according to the present embodiment,
  • [ 3 ] a circuit diagram for the power line of a piezoelectric device according to the present embodiment.
  • [ 4A ] a construction plan for a piezo actuator according to the present embodiment,
  • [ 4B ] a construction plan for a piezo actuator according to the present embodiment,
  • [ 5 ] a construction diagram for a hard disk drive according to the present embodiment and FIG
  • [ 6th ] is a configuration diagram for an ink jet printer apparatus according to the present embodiment.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen sind identische oder äquivalente Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Das Verhältnis der Position zwischen links und rechts sowie oben und unten ist übrigens so, wie es in den Zeichnungen gezeigt wird. Falls sich eine Erklärung wiederholt, wird sie abgekürzt.In the following, a preferred embodiment of the present invention is described in detail with reference to the accompanying drawings. Identical or equivalent elements are provided with the same reference symbols in the drawings. Incidentally, the relationship of the position between left and right and up and down is as shown in the drawings. If an explanation is repeated, it will be abbreviated.

(Das Piezoelement)(The piezo element)

3 zeigt ein Beispiel für einen Schaltplan mit der Stromleitung einer piezoelektrischen Vorrichtung 1 nach der vorliegenden Ausführungsform. Die piezoelektrische Vorrichtung 1 weist ein Piezoelement 80, eine Treiberschaltung 20, die das elektrische Treiberfeld des Piezoelements 80 steuert, eine Stromüberwachungsschaltung 30, die den durch das Piezoelement 80 strömenden Stromwert überwacht, und ein Schaltmittel 40 auf. Das Piezoelement 80 weist eine erste Elektrodenschicht 81, eine auf der ersten Elektrodenschicht 81 ausgebildete Piezoschicht 82 und eine auf der Piezoschicht 82 ausgebildete zweite Elektrodenschicht 83 auf. Übrigens zeigt 3 das Piezoelement 80 auf den Kopf gestellt. 3 Figure 13 shows an example of a circuit diagram showing the power line of a piezoelectric device 1 according to the present embodiment. The piezoelectric device 1 has a piezo element 80, a driver circuit 20 which controls the electrical driver field of the piezo element 80, a current monitoring circuit 30 which monitors the current value flowing through the piezo element 80, and a switching means 40. The piezo element 80 has a first electrode layer 81, a piezo layer 82 formed on the first electrode layer 81, and a second electrode layer 83 formed on the piezo layer 82. Incidentally shows 3 the piezo element 80 is turned upside down.

Die erste Elektrodenschicht 81 besteht beispielsweise aus Pt (Platin). Die erste Elektrodenschicht 81 weist beispielsweise eine Dicke von 0,02 µm bis 1,0 µm auf. Durch die Gestaltung der ersten Elektrodenschicht 81 aus Pt kann die Piezoschicht 82 mit hoher Ausrichtungsfähigkeit ausgebildet werden. Als erste Elektrodenschicht 81 können ebenfalls Metallmaterialien wie Pd (Palladium), Rh (Rhodium), Au (Gold), Ru (Ruthenium), Ir (Iridium), Mo (Molybdän), Ti (Titan) und Ta (Tantal) oder leitfähige Metalloxide wie SrRuO3, LaNiO3 usw. verwendet werden. Die erste Elektrodenschicht 81 kann durch Sputterverfahren, Vakuumverdampfungsverfahren, Druckverfahren, Schleuderbeschichtungsverfahren, Sol-Gel-Verfahren usw. ausgebildet werden.The first electrode layer 81 is made of Pt (platinum), for example. The first electrode layer 81 has a thickness of 0.02 μm to 1.0 μm, for example. By making the first electrode layer 81 made of Pt, the piezo layer 82 can be formed with high aligning ability. Metal materials such as Pd (palladium), Rh (rhodium), Au (gold), Ru (ruthenium), Ir (iridium), Mo (molybdenum), Ti (titanium) and Ta (tantalum) or conductive metal oxides can also be used as the first electrode layer 81 such as SrRuO 3 , LaNiO 3 , etc. can be used. The first electrode layer 81 can be formed by sputtering method, vacuum evaporation method, printing method, spin coating method, sol-gel method, and so on.

Als Material für die Piezoschicht 82 kann die durch die allgemeine Formel ABO3 darzustellende Perovskitverbindung genannt werden. Die Piezoschicht 82 besteht bevorzugt vor allem aus (K, Na) NbO3 (Kaliumnatriumniobat). Die Piezoschicht 82 zeigt eine Hysterese mit relativ kleinem Rechteckigkeitsverhältnis, obwohl die Polarisierbarkeit y bei Sättigung bei kleiner als 1×10-9 (C/(V·m)) liegt. Hierbei beträgt Polarisierbarkeit: y = ein (Pm (Sättigungspolarisation) - Pr (Restpolarisation)) / Ed (Maximalwert des angelegten elektrischen Feldes) (siehe 1).The perovskite compound represented by the general formula ABO 3 can be named as the material for the piezo layer 82. The piezo layer 82 preferably consists primarily of (K, Na) NbO 3 (potassium sodium niobate). The piezo layer 82 exhibits a hysteresis with a relatively small squareness ratio, although the polarizability y at saturation is less than 1 × 10 -9 (C / (V · m)). Here polarizability is: y = a (Pm (saturation polarization) - Pr (residual polarization)) / Ed (maximum value of the applied electric field) (see 1 ).

Die Piezoschicht 82 kann durch Sputterverfahren, Vakuumverdampfungsverfahren, Druckverfahren, Schleuderbeschichtungsverfahren, Sol-Gel-Verfahren usw. ausgebildet werden. Die Dicke soll beispielsweise ca. von 1 µm bis 5 µm betragen.The piezo layer 82 can be formed by sputtering method, vacuum evaporation method, printing method, spin coating method, sol-gel method, and so on. The thickness should be, for example, approximately from 1 µm to 5 µm.

Die zweite Elektrodenschicht 83 besteht beispielsweise aus Pt. Die zweite Elektrodenschicht 83 weist beispielsweise eine Dicke von 0,02 µm bis 1,0 µm auf. Als zweite Elektrodenschicht 83 können die Metallmaterialien Pd, Rh, Au, Ru, Ir, Mo, Ti, Ta usw. oder auch leitfähige Metalloxide wie SrRuO3, LaNiO3 usw. verwendet werden. Die zweite Elektrodenschicht 83 kann durch Sputterverfahren, Vakuumverdampfungsverfahren, Druckverfahren, Schleuderbeschichtungsverfahren, Sol-Gel-Verfahren usw. ausgebildet werden.The second electrode layer 83 is made of Pt, for example. The second electrode layer 83 has a thickness of 0.02 μm to 1.0 μm, for example. The metal materials Pd, Rh, Au, Ru, Ir, Mo, Ti, Ta, etc. or also conductive metal oxides such as SrRuO 3 , LaNiO 3 etc. can be used as the second electrode layer 83. The second electrode layer 83 can be formed by sputtering method, vacuum evaporation method, printing method, spin coating method, sol-gel method, and so on.

Das Piezoelement 80 kann auch mit einem Schutzfilm überzogen werden. Dadurch kann die Zuverlässigkeit erhöht werden.The piezo element 80 can also be covered with a protective film. This can increase the reliability.

Beim Piezoelement 80 kann zwischen einer von der ersten Elektrodenschicht 81 und der zweiten Elektrodenschicht 83 bzw. beiden und der Piezoschicht 82 eine Mittelschicht vorgesehen werden.In the case of the piezo element 80, a middle layer can be provided between one of the first electrode layer 81 and the second electrode layer 83 or both and the piezo layer 82.

Als diese Mittelschicht wird ein leitfähiges Oxid verwendet. Bevorzugt sind vor allem SrRuO3, SrTiO3, LaNiO3, CaRuO3, BaRuO3, (LaxSr1-x) CoO3, YBa2Cu3O7, La4BaCu5O13, usw. die eine hohe Leitfähigkeit und Hitzebeständigkeit aufweisen.A conductive oxide is used as this middle layer. Above all, SrRuO 3 , SrTiO 3 , LaNiO 3 , CaRuO 3 , BaRuO 3 , (La x Sr 1 - x ) CoO 3 , YBa 2 Cu 3 O 7 , La 4 BaCu 5 O 13 , etc. which have high conductivity are preferred and have heat resistance.

Der oben beschriebene Laminatkörper mit dem Piezoelement 80 wird auf einem bestimmten Substrat ausgebildet. Das Piezoelement 80 braucht aber dieses Substrat nicht unbedingt aufzuweisen. Nach dem Laminieren der ersten Elektrodenschicht 81, der Piezoschicht 82 und der zweiten Elektrodenschicht 83 auf dem Substrat sowie nach der Musterung des Piezoelements 80 durch Photolithographie kann das Substrat durch Trockenätzen oder dergleichen entfernt werden. Im Fall des Piezoelements 80 mit einem Substrat kann das Substrat nach der Musterung abgeschnitten werden.The above-described laminate body with the piezo element 80 is formed on a specific substrate. The piezo element 80 does not necessarily have to have this substrate. After the first electrode layer 81, the piezo layer 82 and the second electrode layer 83 have been laminated on the substrate and after the piezo element 80 has been patterned by photolithography, the substrate can be removed by dry etching or the like. In the case of the piezo element 80 with a substrate, the substrate can be cut off after the patterning.

Die Größe des Piezoelements 80 in die senkrechte Richtung zur Laminierrichtung ist nicht unbedingt vorgegeben, kann aber beispielsweise ungefähr 1,0 mm × 0,3 mm betragen.The size of the piezo element 80 in the direction perpendicular to the lamination direction is not necessarily specified, but can be approximately 1.0 mm × 0.3 mm, for example.

Die Treiberschaltung 20 hat die Funktion, ein bestimmtes elektrisches Feld an das Piezoelement 80 anzulegen. Zum Beispiel dadurch, dass die Treiberschaltung 20 eine Ladungspumpe umfasst und wie in 3 dargestellt an eine externe Stromquelle 51 angeschlossen wird, kann die von der externen Stromquelle 51 ausgegebene Spannung verstärkt und ein bestimmtes elektrisches Feld an das Piezoelement 80 ausgegeben werden.The driver circuit 20 has the function of applying a specific electric field to the piezo element 80. For example, in that the driver circuit 20 comprises a charge pump and as in FIG 3 is connected to an external current source 51, the voltage output by the external current source 51 can be amplified and a specific electrical field can be output to the piezoelectric element 80.

Wie in 3 dargestellt kann die piezoelektrische Vorrichtung 1 neben der Treiberschaltung 20 auch eine Stromüberwachungsschaltung 30 aufweisen. Die Stromüberwachungsschaltung 30 legt das elektrische Feld an das Piezoelement 80 an und weist die Funktionen auf, die Polarisation P zu überwachen und einen bestimmten Wert des elektrischen Feldes als Signal an die Treiberschaltung 20 auszugeben.As in 3 the piezoelectric device can be represented 1 In addition to the driver circuit 20, they also have a current monitoring circuit 30. The current monitoring circuit 30 applies the electric field to the piezo element 80 and has the functions of monitoring the polarization P and outputting a specific value of the electric field as a signal to the driver circuit 20.

In der piezoelektrischen Vorrichtung 1 kann auch ein Schaltmittel 40 vorgesehen sein. Das Schaltmittel 40 hat die Funktion, zwischen den Anschlüssen der Treiberschaltung 20 und der Stromüberwachungsschaltung 30 elektrisch umzuschalten. Normalerweise werden das Schaltmittel 40 und dadurch auch das Piezoelement 80 bei der Inbetriebnahme der piezoelektrischen Vorrichtung 1 mit einer Stromüberwachungsschaltung 30 angeschlossen. Nachdem dann die von der Stromüberwachungsschaltung 30 erhaltenen, unten erläuterten Signale EuI und EuII an die Treiberschaltung 20 zurückgeführt werden, findet eine Aktion der Umschaltung statt. Es ist aber auch möglich, nach einer bestimmten Zeitdauer das Schaltmittel 40 umzuschalten und dann die unten erläuterte Aktion der Stromüberwachung durchzuführen.In the piezoelectric device 1 a switching means 40 can also be provided. The switching means 40 has the function of electrically switching between the connections of the driver circuit 20 and the current monitoring circuit 30. The switching means 40 and thereby also the piezo element 80 are normally switched on when the piezoelectric device is put into operation 1 with a current monitoring circuit 30 connected. After the signals EuI and EuII, which are explained below and obtained from the current monitoring circuit 30, are fed back to the driver circuit 20, an action of switching takes place. However, it is also possible to switch over the switching means 40 after a certain period of time and then to carry out the current monitoring action explained below.

Die Steuerung der Aktion der Treiberschaltung 20, der Stromüberwachungsschaltung 30 und des Schaltmittels 40 kann auch zusammen in einer integrierten Schaltung durchgeführt werden. Bei der Verwendung einer Mehrzahl von piezoelektrischen Vorrichtungen in einem piezoelektrischen System können die Treiberschaltung 20, die Stromüberwachungsschaltung 30 und das Schaltmittel 40 der einzelnen piezoelektrischen Vorrichtungen 1 in einer integrierten Schaltung zusammengelegt werden.The control of the action of the driver circuit 20, the current monitoring circuit 30 and the switching means 40 can also be carried out together in one integrated circuit. When a plurality of piezoelectric devices are used in a piezoelectric system, the drive circuit 20, the current monitoring circuit 30 and the switching means 40 of the individual piezoelectric devices 1 be combined in an integrated circuit.

(Das Einstellungsverfahren des elektrischen Treiberfeldes)(The adjustment procedure of the electric driver field)

Die Treiberschaltung 20 der erfindungsmäßigen piezoelektrischen Vorrichtung 1 weist das Mittel, das den Minimalwert Emin des elektrischen Treiberfeldes auf größer als das positive elektrische Koerzitivfeld Ec+ der Piezoschicht 82 einstellt, und das Mittel, das den Maximalwert Emax des elektrischen Treiberfeldes auf kleiner als (Pm' (Maximalwert der Polarisation) - Pr' (Quasi-Restpolarisation)) / 1 × 10-9 (C/ (V·m)) einstellt, auf.The driver circuit 20 of the piezoelectric device according to the invention 1 has the mean that sets the minimum value Emin of the electric drive field to be greater than the positive electric coercive field Ec + of the piezo layer 82, and the mean that sets the maximum value Emax of the electric drive field to be less than (Pm '(maximum value of the polarization) - Pr' ( Quasi-residual polarization)) / 1 × 10 -9 (C / (V · m)).

Hier zeigt sich 1 × 10-9 (C/ (V·m)) als numerischer Wert, der der Polarisierbarkeit y entspricht. Das betrifft aber den Fall, in dem die Einheit der Polarisation (C/m2) und die Einheit des elektrischen Feldes (V/m) genannt werden. In der nachfolgenden Beschreibung hingegen werden (µC/cm2) als Einheit der Polarisation und (kV/mm) als Einheit des elektrischen Feldes verwendet, sodass der kritische Wert der Polarisierbarkeit y 0,1 beträgt.Here, 1 × 10 -9 (C / (V · m)) is shown as a numerical value that corresponds to the polarizability y. But this applies to the case in which the unit of polarization (C / m 2 ) and the unit of the electric field (V / m) are mentioned. In the following description, however, (µC / cm 2 ) are used as the unit of polarization and (kV / mm) as the unit of the electric field, so that the critical value of the polarizability y is 0.1.

Zuerst wird die Stromüberwachungsschaltung 30 und das Piezoelement 80 durch das Schaltmittel 40 aneinander angeschlossen, um das elektrische Feld an das Piezoelement 80 anzulegen und das Ausmaß der Polarisation zu messen. Dabei wird das anzulegende elektrische Feld von der externen Stromquelle 52 erhalten. Das an das Piezoelement 80 anzulegende elektrische Feld wird von 0 kV/mm bis zum elektrischen Feld (Maximalwert Ed vom angelegten elektrischen Feld in 1), in dem die Piezoschicht 82 gesättigt wird, erhöht. Nachdem der Wert auf 0 kV / mm zurückgeführt wurde, wird es bis -Ed angelegt, und dann wieder zu Ed zurückgeführt, sodass hier eine Operation des Pendelns stattfindet. Durch diese Operation wird das positive elektrische Koerzitivfeld Ec+ erhalten, und aufgrund dieser Information wird der Minimalwert EII des anzulegenden elektrischen Feldes bewertet, um das elektrische Feld an den Treiberschalter 20 auszugeben.First, the current monitoring circuit 30 and the piezo element 80 are connected to one another by the switching means 40 in order to apply the electric field to the piezo element 80 and to measure the degree of polarization. The electric field to be applied is obtained from the external power source 52. The electric field to be applied to the piezo element 80 is from 0 kV / mm to the electric field (maximum value Ed of the applied electric field in 1 ), in which the piezo layer 82 is saturated, is increased. After the value has been brought back to 0 kV / mm, it is applied to -Ed, and then returned to Ed again, so that a pendulum operation takes place here. By this operation, the positive coercive electric field Ec + is obtained, and based on this information, the minimum value EII of the electric field to be applied is evaluated to output the electric field to the drive switch 20.

Als nächstes wird die oben beschriebene Operation des Pendelns durchgeführt, indem der Maximalwert Ed des anzulegenden elektrischen Feldes von der Stromüberwachungsschaltung 30 zum Piezoelement 80 hin schrittweise um 0,1 kV / mm erhöht wird, wobei bei jedem Schritt die Polarisierbarkeit y aus Pm' (Maximalwert der Polarisation) - Pr' (Quasi-Restpolarisation) und aus dem maximalen Wert Ed des anzulegenden elektrischen Feldes bewertet wird (siehe 2). Dann wird das Maximum des anzulegenden elektrischen Feldes bewertet, bei dem die Polarisierbarkeit y 0,1 nicht überschritten wird, um dieses als Maximalwert EuI zu definieren und das elektrische Feld dann an den Treiberschalter 20 auszugeben.Next, the above-described oscillation operation is performed by gradually increasing the maximum value Ed of the electric field to be applied from the current monitoring circuit 30 to the piezoelectric element 80 by 0.1 kV / mm, with the polarizability y from Pm '(maximum value the polarization) - Pr '(quasi-residual polarization) and is evaluated from the maximum value Ed of the electric field to be applied (see 2 ). Then the maximum of the electric field to be applied is evaluated at which the polarizability y 0.1 is not exceeded in order to define this as the maximum value EuI and then to output the electric field to the driver switch 20.

Als nächstes werden der Treiberschalter 20 und das Piezoelement 80 aneinander angeschlossen, indem das Schaltmittel 40 von der Stromüberwachungsschaltung 30 auf den Treiberschalter 20 umgeschaltet wird. Innerhalb des eingegebenen Bereiches von EII bis EuI und in Abhängigkeit von den Signalen aus dem die piezoelektrische Vorrichtung 1 integrierenden piezoelektrischen System oder in Abhängigkeit von der notwendigen Eigenschaft des piezoelektrischen Systems sowie aufgrund der vom Treiberschalter 20 eingestellten Bedingungen reguliert der Treiberschalter 20 Emin und Emax, um den Bereich des elektrischen Treiberfeldes zum Piezoelement 80 festzulegen.Next, the driver switch 20 and the piezo element 80 are connected to one another by switching over the switching means 40 from the current monitoring circuit 30 to the driver switch 20. Within the entered range from EII to EuI and depending on the signals from which the piezoelectric device 1 integrating piezoelectric system or depending on the necessary property of the piezoelectric system and on the basis of the conditions set by the driver switch 20, the driver switch 20 regulates Emin and Emax in order to determine the area of the electrical driver field to the piezoelectric element 80.

Innerhalb des Bereichs zwischen Emin und Emax wird dann das Piezoelement 80 unter Verwendung der externen Stromquelle 51 angetrieben.The piezo element 80 is then driven using the external current source 51 within the range between Emin and Emax.

Von den positiven und negativen elektrischen Koerzitivfeldern Ec+ und Ecgelten dabei vorzugsweise die Richtung des elektrischen Feldes mit einem kleinen Absolutwert als positiv, das elektrische Feld P = O in der positiven Richtung als Ec+ und das elektrische Feld P = O in der negativen Richtung als Ec-. Zum Antrieb des Piezoelements 80 wird vorzugsweise das positive elektrische Koerzitivfeld Ec+ als unterer Grenzwert EII des elektrischen Treiberfeldes und das elektrische Feld bei γ = 0,1 als oberer Grenzwert EuI des elektrischen Treiberfeldes definiert. Dadurch kann die Verschiebung des Piezoelements 80 der piezoelektrischen Vorrichtung 1 noch erweitert werden.Of the positive and negative electric coercive fields Ec + and Ec, the direction of the electric field with a small absolute value is preferably positive, the electric field P = O in the positive direction as Ec + and the electric field P = O in the negative direction as Ec- . To drive the piezoelectric element 80, the positive electrical coercive field Ec + is preferably defined as the lower limit value EII of the electrical driver field and the electrical field at γ = 0.1 as the upper limit value EuI of the electrical driver field. This can cause the displacement of the piezoelectric element 80 of the piezoelectric device 1 still to be expanded.

Noch mehr vorzuziehen ist, beim Antrieb des Piezoelements 80 den Minimalwert Emin des elektrischen Treiberfeldes mehr als fünffach vom positiven elektrischen Koerzitivfeld Ec+ der Piezoschicht 82 und den Maximalwert Emax des elektrischen Treiberfeldes weniger als fünfzigfach vom positiven elektrischen Koerzitivfeld Ec+ der Piezoschicht 82 zu definieren. Dadurch kann die Verschiebung des Piezoelements 80 der piezoelektrischen Vorrichtung 1 noch erweitert werden.It is even more preferable, when driving the piezo element 80, to define the minimum value Emin of the electric drive field more than five times the positive electric coercive field Ec + of the piezo layer 82 and the maximum value Emax of the electric drive field less than fifty times the positive electric coercive field Ec + of the piezo layer 82. This can cause the displacement of the piezoelectric element 80 of the piezoelectric device 1 still to be expanded.

(Das Messungsverfahren der piezoelektrischen Konstante)(The measurement method of the piezoelectric constant)

Die piezoelektrische Konstante des Piezoelements 80, die die piezoelektrische Vorrichtung 1 konfiguriert, wird durch das folgende Verfahren gemessen.The piezoelectric constant of the piezoelectric element 80 that makes up the piezoelectric device 1 configured, is measured by the following procedure.

An die erste Elektrodenschicht 81 und die zweite Elektrodenschicht 83 wurde das von der Stromquelle 51 auf 1 kHz eingestellte elektrische Feld angelegt. Die Verschiebung des Piezoelements 80 wurde mit Hilfe eines Laserverschiebungsmessgerätes (hergestellt von der Firma Ono Sokki) gemessen. Die piezoelektrische Konstante (-d31) wurde dann durch die folgende Formel (1) berechnet: d 31 h s 2 3 L 2 s 11, p s 11, s δ V

Figure DE102015101817B4_0001
The electric field set to 1 kHz by the power source 51 was applied to the first electrode layer 81 and the second electrode layer 83. The displacement of the piezo element 80 was measured with the aid of a laser displacement measuring device (manufactured by Ono Sokki). The piezoelectric constant (-d31) was then calculated by the following formula (1): d 31 - H s 2 3 L. 2 s 11 p s 11 s δ V
Figure DE102015101817B4_0001

Hierbei bedeutet hs: Dicke des Substrats, S11, p: Elastizitätsmodul der Piezoschicht, S11, s: Elastizitätsmodul des Substrats, L: Länge des Antriebsteils der Piezoschicht, δ: Ausmaß der Verschiebung, V: angelegte Spannung.Here, h s : thickness of the substrate, S 11, p : modulus of elasticity of the piezo layer, S 11, s : modulus of elasticity of the substrate, L: length of the drive part of the piezo layer, δ: amount of displacement, V: applied voltage.

(Der Piezoaktor)(The piezo actuator)

4A zeigt einen Aufbauplan für eine in einem (im folgenden auch als HDD bezeichneten) Festplattenlaufwerk montierte Kopfanordnung als Beispiel eines Piezoaktors unter Verwendung der piezoelektrischen Vorrichtung der vorliegenden Erfindung. Wie diese Figur darstellt, umfasst die Kopfanordnung 200 eine Grundplatte 9, einen Lastträger 11, eine Biegung 17, eine piezoelektrische Vorrichtung 13 (1), die das erste und zweite Piezoelement 13a (80) als Antriebselemente sowie eine Elementschaltung 13b aufweist, und einen Schieber 19 mit einem Kopfelement19a als Hauptkomponente. 4A Fig. 13 shows a construction diagram for a head assembly mounted in a hard disk drive (hereinafter also referred to as HDD) as an example of a piezo actuator using the piezoelectric device of the present invention. As this figure illustrates, the head assembly includes 200 a base plate 9, a load carrier 11, a bend 17, a piezoelectric device 13 (1) which has the first and second piezo elements 13a (80) as drive elements and an element circuit 13b, and a slide 19 with a head element 19a as the main component.

Die Elementschaltung 13b weist eine integrierte Schaltung auf, die eine Treiberschaltung, eine Stromüberwachungsschaltung und ein Schaltmittel umfasst. Weiterhin ist es auch möglich, mehrere Elementschaltungen zum Steuern einer Mehrzahl von Piezoelementen in einer einzigen integrierten Schaltung zusammenzulegen. Die Elementschaltung 13b ist zwar auf dem flexiblen Substrat zur Verdrahtung 15 angeordnet, das einen Teil der Biegung 17 bildet. Die Funktion der integrierten Schaltung kann aber auch allein an die Steuereinrichtung des Schwingspulenmotors auf dem HDD-Substrat hinzugefügt werden.The element circuit 13b has an integrated circuit which comprises a driver circuit, a current monitoring circuit and a switching means. Furthermore, it is also possible to combine several element circuits for controlling a plurality of piezo elements in a single integrated circuit. The element circuit 13b is arranged on the flexible substrate for wiring 15 which forms part of the bend 17. The function of the integrated circuit can, however, also be added solely to the control device of the voice coil motor on the HDD substrate.

Der Lastträger 11 umfasst ein proximales Ende 11b, das beispielsweise durch Elektronenstrahlschweißen auf der Grundplatte 9 befestigt ist, den ersten und zweiten Blattfederteil 11c und 11d, die sich vom proximalen Ende 11b her verjüngt erstrecken, die Öffnung 11e, die zwischen dem ersten und zweiten Blattfederteil 11c und 11d ausgebildet ist, und den Auslegerhauptabschnitt 11f, der sich vom ersten und zweiten Blattfederteil 11c und 11d kontinuierlich linear und verjüngt erstreckt.The load carrier 11 comprises a proximal end 11b, which is fastened to the base plate 9, for example by electron beam welding, the first and second leaf spring parts 11c and 11d, which taper from the proximal end 11b, the opening 11e, which is between the first and second leaf spring parts 11c and 11d, and the boom main portion 11f extending continuously linearly and tapered from the first and second leaf spring members 11c and 11d.

Das erste und zweite Piezoelement 13a sind jeweils auf dem flexiblen Substrat zur Verdrahtung 15, das einen Teil der Biegung 17 bildet, mit einem vorgegebenen Abstand angeordnet. Der Schieber 19 ist an der Spitze der Biegung 17 befestigt und wird in Übereinstimmung mit der Ausdehnung des ersten und zweiten Piezoelements 13a in eine Drehbewegung gesetzt.The first and second piezoelectric elements 13a are each arranged on the flexible substrate for wiring 15, which forms part of the bend 17, with a predetermined spacing. The slide 19 is attached to the tip of the bend 17 and is set in a rotary motion in accordance with the expansion of the first and second piezo elements 13a.

Das erste und zweite Piezoelement 13a bestehen aus der ersten und zweiten Elektrodenschicht sowie aus der Piezoschicht, die zwischen der ersten und zweiten Elektrodenschicht angeordnet ist. Bei dem Piezoaktor der vorliegenden Erfindung kann eine hohe Zuverlässigkeit und ein ausreichendes Ausmaß der Verschiebung erreicht werden, weil das anzulegende elektrische Feld, das die optimalen piezoelektrischen Eigenschaften der einzelnen Piezoelemente erzielen kann, vor der Einstellung des elektrischen Treiberfeldes in der piezoelektrischen Vorrichtung überprüft wird.The first and second piezo elements 13a consist of the first and second electrode layers and of the piezo layer which is arranged between the first and second electrode layers. In the piezo actuator of the present invention, high reliability and a sufficient amount of displacement can be achieved because the electric field to be applied, which can achieve the optimal piezoelectric properties of the individual piezo elements, is checked before the electric drive field is set in the piezoelectric device.

4B ist ein Aufbauplan für den Piezoaktor eines Tintenstrahldruckerkopfs als anderes Beispiel als der Piezoaktor mit der oben beschriebenen piezoelektrischen Vorrichtung und zeigt ein Anwendungsbeispiel für das Piezoelement 80 in der piezoelektrischen Vorrichtung 1. 4B Fig. 13 is a configuration diagram for the piezo actuator of an ink jet printer head as an example other than the piezo actuator with the above-described piezoelectric device, and shows an application example of the piezo element 80 in the piezoelectric device 1 .

Der Piezoaktor 300 wird dadurch konfiguriert, dass ein Isolierfilm 23, eine untere Elektrodenschicht 24, eine Piezoschicht 25 und eine obere Elektrodenschicht 26 auf einem Substrat 22 aufeinander laminiert werden.The piezo actuator 300 is configured by laminating an insulating film 23, a lower electrode layer 24, a piezo layer 25, and an upper electrode layer 26 on a substrate 22.

Die Piezoschicht 25 wird nicht verformt, wenn kein vorgegebenes Entladungssignal zugeführt wird, und das elektrische Feld zwischen der unteren Elektrodenschicht 24 und der oberen Elektrodenschicht 26 nicht angelegt wird. In der Druckkammer 21 mit dem Piezoelement, dem kein Entladungssignal zugeführt wird, entsteht keine Druckänderung, sodass kein Tintentropfen aus seiner Düse 27 ausgestoßen wird.The piezo layer 25 is not deformed if no predetermined discharge signal is supplied and the electric field between the lower electrode layer 24 and the upper electrode layer 26 is not applied. In the pressure chamber 21 with the piezo element, to which no discharge signal is supplied, there is no change in pressure, so that no ink drop is ejected from its nozzle 27.

Die Piezoschicht 25 wird hingegen verformt, wenn ein vorgegebenes Entladungssignal zugeführt wird und ein bestimmtes elektrisches Feld zwischen der unteren Elektrodenschicht 24 und der oberen Elektrodenschicht 26 angelegt wird. In der Druckkammer 21 mit dem Piezoelement, zu dem ein Entladungssignal zugeführt wird, wird sein Isolierfilm 23 stark verbogen. Dadurch steigt der Druck in der Druckkammer 21 augenblicklich, sodass Tintentropfen aus der Düse 27 ausgestoßen werden.The piezo layer 25, on the other hand, is deformed when a predetermined discharge signal is supplied and a specific electric field is applied between the lower electrode layer 24 and the upper electrode layer 26. In the pressure chamber 21 with the piezo element to which a discharge signal is supplied, its insulating film 23 is greatly bent. As a result, the pressure in the pressure chamber 21 rises instantaneously, so that ink droplets are ejected from the nozzle 27.

Als piezoelektrische Vorrichtung des erfindungsmäßigen Piezoaktors wird hier eine piezoelektrische Vorrichtung verwendet, die das elektrische Feld einstellt und anlegt, das die optimalen piezoelektrischen Eigenschaften der einzelnen Piezoelemente erzielen kann, um eine hohe Zuverlässigkeit und ein ausreichendes Ausmaß der Verschiebung zu erreichen.A piezoelectric device is used here as the piezoelectric device of the piezoelectric actuator according to the invention, which sets and applies the electric field that can achieve the optimal piezoelectric properties of the individual piezoelectric elements in order to achieve high reliability and a sufficient degree of displacement.

(Das Festplattenlaufwerk)(The hard disk drive)

5 zeigt einen Aufbauplan eines Festplattenlaufwerks, das mit der in 4A gezeigten Kopfanordnung ausgestattet ist. 5 Fig. 3 shows a layout of a hard disk drive to be used with the in 4A head assembly shown is equipped.

Das Festplattenlaufwerk 700 weist im Gehäuse 60 eine Festplatte 61 als ein Aufzeichnungsmedium und eine Kopfstapelanordnung 62 auf, die in diesem Magnetinformationen speichert und wiedergibt. Die Festplatte 61 wird durch einen nicht dargestellten Motor gedreht.The hard drive 700 has in the housing 60 a hard disk 61 as a recording medium and a head stacker 62 which stores and reproduces magnetic information therein. The hard disk 61 is rotated by an unillustrated motor.

Die Kopfstapelanordnung 62 besteht aus mehreren, in die Tiefenrichtung der Figur hin laminierten Zusammenstellungen, die durch einen Aktorarm 64, der drehbar um eine Welle durch einen Schwingspulenmotor 63 unterstützt ist, und durch eine Kopfanordnung 65, die an dem Aktorarm 64 verbunden ist, konfiguriert sind. An der Spitze der Kopfanordnung 65 wird der Kopfverschiebeteil 19 der Festplatte 61 zugewandt montiert (siehe 4A).The head stack assembly 62 is composed of a plurality of assemblies laminated in the depth direction of the figure configured by an actuator arm 64 rotatably supported about a shaft by a voice coil motor 63 and a head assembly 65 connected to the actuator arm 64 . At the top of the head assembly 65, the head sliding part 19 is mounted facing the hard disk 61 (see FIG 4A) .

Die Kopfanordnung 65 (200) ist so geformt, dass das Kopfelement 19a (siehe 4A) in zwei Stufen bewegt wird. Eine relativ große Bewegung des Kopfelements 19a wird durch den Gesamtantrieb der Kopfanordnung 65 und des Aktorarms 64 mittels des Schwingspulenmotors 63 gesteuert, während eine relativ kleine Bewegung durch den Antrieb des Kopfschiebers 19 an der Spitze der Kopfanordnung 65 gesteuert wird.The head assembly 65 ( 200 ) is shaped so that the head element 19a (see 4A) is moved in two stages. A relatively large movement of the head element 19a is controlled by the overall drive of the head assembly 65 and the actuator arm 64 by means of the voice coil motor 63, while a relatively small movement is controlled by the drive of the head slide 19 at the tip of the head assembly 65.

Dadurch, dass bei der für die Kopfanordnung 65 verwendeten piezoelektrischen Vorrichtung die piezoelektrische Vorrichtung eingesetzt wird, die das elektrische Feld einstellt und anlegt, das die optimalen piezoelektrischen Eigenschaften der einzelnen Piezoelemente erzielen kann, können eine hohe Zuverlässigkeit und eine ausreichende Zugänglichkeit erreicht werden.Because the piezoelectric device used for the head arrangement 65 uses the piezoelectric device that sets and applies the electric field that can achieve the optimal piezoelectric properties of the individual piezo elements, high reliability and sufficient accessibility can be achieved.

(Der Tintenstrahldruckerapparat)(The inkjet printer apparatus)

6 zeigt einen Aufbauplan eines in 4B dargestellten, mit einem Tintenstrahldruckkopf ausgestatteten Tintenstrahldruckerapparats. 6th shows a construction plan of an in 4B illustrated ink jet printer apparatus equipped with an ink jet print head.

Der Tintenstrahldruckerapparat 800 ist hauptsächlich mit einem Tintenstrahldruckkopf 70, einem Körper 71, einem Tablett 72 und einem Kopfantriebsmechanismus 73 konfiguriert. Der Piezoaktor 300 ist am Tintenstrahldruckkopf 70 vorgesehen.The inkjet printer apparatus 800 is mainly configured with an ink jet print head 70, a body 71, a tablet 72, and a head drive mechanism 73. The piezo actuator 300 is provided on the ink jet print head 70.

Der Tintenstrahldruckerapparat 800 weist eine Tintenpatrone mit den vier Farben Gelb, Magenta, Cyan und Schwarz auf und ist dadurch so konfiguriert, dass ein Vollfarbdruck möglich ist. Der Tintenstrahldruckerapparat 800 weist übrigens eine eigene Regler-Platte oder dergleichen in seinem Inneren auf, um das Timing des Tintenausstoßes am Tintenstrahldruckkopf 70 und das Scannen des Kopfantriebsmechanismus 73 zu steuern. Des Weiteren weist der Körper 71 das Tablett 72 auf der Rückseite auf, in dessen Inneren ein automatischer Einzelblatteinzug (automatischer kontinuierlicher Papiervorschubmechanismus) 76 vorhanden ist, um das Aufzeichnungspapier 75 automatisch zuzuführen und das Aufzeichnungspapier 75 von der vorderen Abgabeöffnung 74 zu entladen.The inkjet printer apparatus 800 contains an ink cartridge with the four colors yellow, magenta, cyan and black and is thus configured to allow full color printing. The inkjet printer apparatus 800 Incidentally, it has its own controller plate or the like inside to control the timing control of the ejection of ink at the inkjet printhead 70 and the scanning of the head drive mechanism 73. Further, the body 71 has the tray 72 on the rear side, inside of which there is an automatic sheet feeder (automatic continuous paper feed mechanism) 76 for automatically feeding the recording paper 75 and discharging the recording paper 75 from the front discharge port 74.

Dadurch, dass bei der für den Piezoaktor des Tintenstrahldruckkopfs 70 verwendeten piezoelektrischen Vorrichtung das elektrische Feld eingestellt und angelegt wird, das die optimalen piezoelektrischen Eigenschaften der einzelnen Piezoelemente erzielen kann, kann ein Tintenstrahldruckerapparat mit einer hohen Zuverlässigkeit und Sicherheit bereitgestellt werden.By setting and applying the electric field which can achieve the optimum piezoelectric properties of the individual piezo elements in the piezoelectric device used for the piezo actuator of the ink jet print head 70, an ink jet printer apparatus with high reliability and safety can be provided.

AusführungsbeispieleEmbodiments

Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Vergleichsbeispielen konkreter erläutert, obgleich die vorliegende Erfindung nicht auf die folgenden Beispiele beschränkt werden soll.In the following, the present invention is explained more concretely on the basis of working examples and comparative examples, although the present invention is not intended to be restricted to the following examples.

(Ausführungsbeispiel 1)(Embodiment 1)

Zunächst wurde die erste Elektrodenschicht 81, welche als Basisfilm der Piezoschicht 82 diente, auf einem 3 inches großen Substrat aus Einkristall Si durch einen Prozess des Kristallwachstums geschaffen. Diese erste Elektrodenschicht 81 war ein Pt-Film, deren Filmdicke 0,2 µm betrug. Das betreffende Erzeugungsverfahren war das Sputterverfahren, bei dem die Abscheidung beim Erhitzen des Substrats auf 500 °C durchgeführt wurde.First, the first electrode layer 81, which served as the base film of the piezo layer 82, was formed on a 3-inch substrate made of single crystal Si by a process of crystal growth. This first electrode layer 81 was a Pt film, the film thickness of which was 0.2 µm. The production method in question was the sputtering method, in which the deposition was carried out while heating the substrate to 500 ° C.

Anschließend wurde unter Verwendung des Sputter-Targets aus der Zusammensetzung von (K0,5Na0,5) NbO3 (Kaliumnatriumniobat) eine Piezoschicht 82 auf der ersten Elektrodenschicht 81 abgeschieden. Beim Erzeugungsverfahren handelte es sich um das Sputterverfahren, bei dem die Abscheidung unter der Bedingung der Erhitzung des Substrats auf 750 °C wie bei der ersten Elektrodenschicht 81 durchgeführt wurde. Die Filmdicke betrug dabei 2,0 µm (KNN1).A piezo layer 82 was then deposited on the first electrode layer 81 using the sputter target made of the composition of (K 0.5 Na 0.5 ) NbO 3 (potassium sodium niobate). The forming method was the sputtering method in which deposition was carried out under the condition of heating the substrate to 750 ° C. as in the first electrode layer 81. The film thickness was 2.0 µm (KNN1).

Nachfolgend wurde Pt als zweite Elektrodenschicht 83 auf der Piezoschicht 82 abgeschieden. Wie bei der ersten Elektrodenschicht 81 handelte es sich beim Erzeugungsverfahren um das Sputterverfahren, wobei die Temperatur des Substrats aber auf 200 °C eingestellt wurde. Die Filmdicke betrug dabei 0,2 µm.Subsequently, Pt was deposited as a second electrode layer 83 on the piezo layer 82. As with the first electrode layer 81, the forming process was the sputtering process, but the temperature of the substrate was set to 200 ° C. The film thickness was 0.2 µm.

Dann wurde die Laminierstruktur auf dem Substrat durch die Fotolithografie gemustert. Das Substrat wurde dann durch das RIE-Trockenätzen entfernt, wodurch ein Piezoelement 80 mit einem 0,3 mm × 1,0 mm großen mobilen Teil hergestellt wurde.Then, the lamination structure on the substrate was patterned by the photolithography. The substrate was then removed by the RIE dry etching, thereby fabricating a piezo element 80 having a 0.3 mm × 1.0 mm mobile part.

Als nächstes wurde eine piezoelektrische Vorrichtung 1 mit einem Piezoelement 80 und mit dem Schaltungsaufbau wie in 3 konfiguriert. Als IC umfassend eine Treiberschaltung 20, eine Stromüberwachungsschaltung 30 und ein Schaltmittel 40 wurde eine ASIC (anwendungsspezifische integrierte Schaltung) zur Miniaturisierung und zum Energiesparren verwendet.Next up was a piezoelectric device 1 with a piezo element 80 and with the circuit structure as in 3 configured. As an IC comprising a driver circuit 20, a current monitoring circuit 30 and a switching means 40, an ASIC (application-specific integrated circuit) was used for miniaturization and energy saving.

Zunächst wurde an das Piezoelement 80 ein elektrisches Feld angelegt, bei dem die Piezoschicht 82 gesättigt wurde, wodurch jeweils 0,44 und 1,02 kV / mm als positives und negatives elektrisches Koerzitivfeld Ec- und Ec+ erhalten wurden. Folglich betrug die untere Grenze EII des anzulegenden elektrischen Feldes in diesem Zustand etwa 1 kV / mm. In diesem Fall betrug die Polarisierbarkeit y = 0,086.First, an electric field was applied to the piezo element 80, at which the piezo layer 82 was saturated, whereby 0.44 and 1.02 kV / mm were obtained as positive and negative electric coercive fields Ec- and Ec +, respectively. Consequently, the lower limit EII of the electric field to be applied in this state was about 1 kV / mm. In this case, the polarizability was y = 0.086.

Als nächstes wurde der Maximalwert Ed des anzulegenden elektrischen Feldes von der Stromüberwachungsschaltung 30 zum Piezoelement 80 hin schrittweise um 0,1 kV / mm erhöht, wobei bei jedem Schritt die Polarisierbarkeit y aus Pm' (Maximalwert der Polarisation) - Pr' (Quasi-Restpolarisation) und aus dem maximalen Wert Ed des anzulegenden elektrischen Feldes bewertet wurde (siehe 2). Als der Maximalwert Ed des maximalen, anzulegenden elektrischen Feldes, bei dem die Polarisierbarkeit y bei nicht weniger als 0,1 liegt, wurde nämlich 64 kV / mm als der obere Grenzwert EuI des anzulegenden elektrischen Feldes erhalten.Next, the maximum value Ed of the electric field to be applied was increased gradually by 0.1 kV / mm from the current monitoring circuit 30 to the piezo element 80, with the polarizability y from Pm '(maximum value of the polarization) - Pr' (quasi-residual polarization ) and was evaluated from the maximum value Ed of the electric field to be applied (see 2 ). Namely, as the maximum value Ed of the maximum electric field to be applied at which the polarizability y is not less than 0.1, 64 kV / mm was obtained as the upper limit value EuI of the electric field to be applied.

Der dadurch erhaltene untere Grenzewert EII und der obere Grenzewert EuI des anzulegenden elektrischen Feldes wurden als Signale von der Stromüberwachungsschaltung 30 an die Treiberschaltung 20 eingegeben. Das Schaltmittel 40 wurde dann von der Stromüberwachungsschaltung 30 an die Treiberschaltung 20 umgeschaltet. Nachdem dann unter der Annahme der Einschränkungen des piezoelektrischen Systems etc. Emin auf 5 kV/mm und Emax auf 52 kV/mm eingestellt wurden, wurde das Piezoelement 80 durch eine Sinuswelle im Bereich zwischen Emin und Emax angetrieben.The lower limit value EII obtained thereby and the upper limit value EuI of the electric field to be applied were inputted as signals from the current monitoring circuit 30 to the driver circuit 20. The switching means 40 was then switched over from the current monitoring circuit 30 to the driver circuit 20. After then assuming the limitations of the piezoelectric system etc. Emin were set to 5 kV / mm and Emax to 52 kV / mm, the piezo element 80 was driven by a sine wave in the range between Emin and Emax.

Die piezoelektrischen Eigenschaften des Piezoelements 80 wurde übrigens wie oben beschrieben mittels eines Laserverschiebungsmessgeräts (hergestellt von der Firma Ono Sokki) bewertet. Eine Sinuswelle mit Frequenz 1 kHz wurde durch Emin und Emax der obigen Bedingungen angelegt. Bei der Messung der Verschiebung wurde die piezoelektrische Konstante -d31 bewertet. Die piezoelektrische Konstante -d31 des Piezoelements 80 nach Ausführungsbeispiel 1 betrug 37 pm/V.Incidentally, the piezoelectric properties of the piezoelectric element 80 were evaluated as described above by means of a laser displacement meter (manufactured by Ono Sokki). A sine wave of 1 kHz frequency was applied by Emin and Emax of the above conditions. When measuring the displacement, the piezoelectric constant -d31 was evaluated. The piezoelectric constant -d31 of the piezo element 80 according to embodiment 1 was 37 pm / V.

(Vergleichsbeispiele 1-1, 1-2 und 1-3)(Comparative examples 1-1, 1-2 and 1-3)

Die Konfiguration und der Herstellungsprozess des Piezoelements der piezoelektrischen Vorrichtung in den Vergleichsbeispielen 1-1, 1-2 und 1-3 wurden genauso wie in Ausführungsbeispiel 1 durchgeführt. Der Unterschied lag jedoch in der Einstellung in der Treiberschaltung, in der EII und EuI, die von der Stromüberwachungsschaltung erhaltenen wurden, Emin und Emax definieren.The configuration and manufacturing process of the piezo element of the piezoelectric device in Comparative Examples 1-1, 1-2, and 1-3 were performed in the same way as in Embodiment 1. The difference, however, was in the setting in the driver circuit in which EII and EuI obtained from the current monitoring circuit define Emin and Emax.

Was das jeweilige elektrische Treiberfeld betraf, so galt in Vergleichsbeispiel 1-1 die Bedingung, dass der Minimalwert Emin des elektrischen Treiberfeldes bei kleiner als 0 kV/mm (und natürlich auch bei kleiner als das elektrische Koerzitivfeld des piezoelektrischen Körpers Ec+) lag. In Vergleichsbeispiel 1-2 galt die Bedingung, dass der Minimalwert Emin des elektrischen Treiberfeldes bei größer als 0 kV/mm und bei kleiner als das elektrische Koerzitivfeld des piezoelektrischen Körpers Ec+ lag. In Vergleichsbeispiel 1-3 galt die Bedingung, dass der Maximalwert Emax des elektrischen Treiberfeldes bei größer als der obere Grenzwert EuI lag, bei dem die Polarisierbarkeit y = 0,1 betrug. Die piezoelektrische Konstante wurde in der gleichen Weise wie in Ausführungsbeispiel 1 bewertet.As far as the respective driving electric field was concerned, the condition in Comparative Example 1-1 was that the minimum value Emin of the driving electric field was less than 0 kV / mm (and of course also less than the coercive electric field of the piezoelectric body Ec +). In Comparative Example 1-2, the condition was that the minimum value Emin of the driving electric field was greater than 0 kV / mm and less than the coercive electric field of the piezoelectric body Ec +. In Comparative Example 1-3, the condition was that the maximum value Emax of the electric driver field was greater than the upper limit value EuI, at which the polarizability was y = 0.1. The piezoelectric constant was evaluated in the same manner as in Embodiment 1.

(Ausführungsbeispiel 2)(Embodiment 2)

Unter Verwendung des Piezoelements 80 mit der gleichen Eigenschaft wie in Ausführungsbeispiel 1 wurde die piezoelektrische Vorrichtung 1 des Ausführungsbeispiels 2 konfiguriert. Dabei wurde die Größe der beiden elektrischen Koerzitivfelder überprüft, die bei der Messung der P-E-Hysterese durch die Stromüberwachungsschaltung 30 in der piezoelektrischen Vorrichtung 1 erhalten wurden. Im Gegensatz zu Ausführungsbeispiel 1 galt das eine von den beiden elektrischen Koerzitivfeldern mit einem kleinen Absolutwert als Ec+ definiert, wobei die Anlegungsrichtung von Ec+ als positive Richtung des elektrischen Feldes eingestellt wurde. Die piezoelektrische Konstante wurde in der gleichen Weise wie in Ausführungsbeispiel 1 berechnet.Using the piezoelectric element 80 having the same property as Embodiment 1, the piezoelectric device was made 1 of the embodiment 2 configured. The size of the two electrical coercive fields that were generated when the PE hysteresis was measured by the current monitoring circuit 30 in the piezoelectric device was checked 1 were obtained. In contrast to the exemplary embodiment 1 one of the two coercive electric fields was defined as Ec + with a small absolute value, the application direction of Ec + being set as the positive direction of the electric field. The piezoelectric constant was determined in the same manner as in the embodiment 1 calculated.

(Ausführungsbeispiel 3)(Embodiment 3)

In der gleichen piezoelektrischen Vorrichtung 1 wie in Ausführungsbeispiel 2 wurden Emin und Emax aufgrund des von der Stromüberwachungsschaltung 30 erhaltenen oberen und unteren Grenzwertes EII und EuI jeweils auf größer als fünffach von Ec+ und auf kleiner als fünfzigfach von Ec+ reduziert eingestellt. Die piezoelektrische Konstante wurde in der gleichen Weise wie in Ausführungsbeispiel 1 berechnet.In the same piezoelectric device 1 As in Embodiment 2, Emin and Emax were set to be greater than five times Ec + and less than fifty times Ec +, respectively, based on the upper and lower limit values EII and EuI obtained from the current monitoring circuit 30. The piezoelectric constant was determined in the same manner as in the embodiment 1 calculated.

(Ausführungsbeispiel 4)(Embodiment 4)

Außer, dass die Abscheidungstemperatur der Piezoschicht 82 auf 800 °C eingestellt wurde, wurde die piezoelektrische Vorrichtung 1 des Ausführungsbeispiels 4 wie die des Ausführungsbeispiels 1 konfiguriert. Die piezoelektrische Konstante wurde in der gleichen Weise wie in Ausführungsbeispiel 1 berechnet. Ec-, Ec+, γ und EuI der Piezoschicht 82 (KNN2) betrugen jeweils 0,67kV/mm, 1,26kV/mm, 0,085 und 65kV/mm.Except that the deposition temperature of the piezo layer 82 was set to 800 ° C, the piezoelectric device became 1 of the embodiment 4 as that of the embodiment 1 configured. The piezoelectric constant was calculated in the same manner as in Embodiment 1. Ec-, Ec +, γ and EuI of the piezo layer 82 (KNN2) were 0.67 kV / mm, 1.26 kV / mm, 0.085 and 65 kV / mm, respectively.

(Ausführungsbeispiel 5)(Embodiment 5)

Unter Verwendung des gleichen Piezoelements 80 wie in Ausführungsbeispiel 4 wurde die piezoelektrische Vorrichtung 1 des Ausführungsbeispiels 5 konfiguriert. Die Stromüberwachungsschaltung 30 in der piezoelektrischen Vorrichtung 1 wurde in diesem Fall in der gleichen Weise wie in Ausführungsbeispiel 2 eingestellt. Die piezoelektrische Konstante wurde in der gleichen Weise wie in Ausführungsbeispiel 1 bewertet.Using the same piezoelectric element 80 as in Embodiment 4, the piezoelectric device was constructed 1 of the embodiment 5 configured. The current monitoring circuit 30 in the piezoelectric contraption 1 was set in the same manner as in Embodiment 2 in this case. The piezoelectric constant was evaluated in the same manner as in Embodiment 1.

(Ausführungsbeispiel 6)(Embodiment 6)

Unter Verwendung des gleichen Piezoelements 80 wie in Ausführungsbeispiel 4 wurde die piezoelektrische Vorrichtung 1 des Ausführungsbeispiels 6 konfiguriert. Die Treiberschaltung 20 in der piezoelektrischen Vorrichtung 1 wurde in diesem Fall in der gleichen Weise wie in Ausführungsbeispiel 3 eingestellt. Die piezoelektrische Konstante wurde in der gleichen Weise wie in Ausführungsbeispiel 1 bewertet.Using the same piezoelectric element 80 as in Embodiment 4, the piezoelectric device was constructed 1 of the embodiment 6 configured. The driving circuit 20 in the piezoelectric device 1 was set in the same manner as in Embodiment 3 in this case. The piezoelectric constant was evaluated in the same manner as in Embodiment 1.

(Vergleichsbeispiel 2)(Comparative example 2)

Unter Verwendung des gleichen Piezoelements 80 aus Ausführungsbeispiel 4 wurde die piezoelektrische Vorrichtung 1 des Vergleichsbeispiels 2 konfiguriert. Die Stromüberwachungsschaltung 30 in der piezoelektrischen Vorrichtung 1 wurde in diesem Fall in der gleichen Weise wie in Vergleichsbeispiel 1-3 eingestellt. Die piezoelektrische Konstante wurde in der gleichen Weise wie in Ausführungsbeispiel 1 berechnet.Using the same piezoelectric element 80 from Embodiment 4, the piezoelectric device was constructed 1 of Comparative Example 2 configured. The current monitoring circuit 30 in the piezoelectric device 1 was in this case in the same manner as in Comparative Example 1-3 set. The piezoelectric constant was calculated in the same manner as in Embodiment 1.

(Ausführungsbeispiel 7)(Embodiment 7)

Außer, dass das Material der Piezoschicht 82 aus (Bi0,5 Na0,5) TiO3 bestand, wurde die piezoelektrische Vorrichtung 1 des Ausführungsbeispiels 7 in der gleichen Weise wie in Ausführungsbeispiel 1 konfiguriert. Die piezoelektrische Konstante wurde in der gleichen Weise wie in Ausführungsbeispiel 1 berechnet. Ec-, Ec+, γ und EuI der Piezoschicht 82 (BNT) betrug dabei jeweils 0, 25 kV/mm, 0,53 kV/mm, 0,081 und 60 kV/mm.Except that the material of the piezo layer 82 was (Bi 0.5 Na 0.5 ) TiO 3 , the piezoelectric device became 1 of Embodiment 7 is configured in the same manner as in Embodiment 1. The piezoelectric constant was calculated in the same manner as in Embodiment 1. Ec-, Ec +, γ and EuI of the piezo layer 82 (BNT) were 0.25 kV / mm, 0.53 kV / mm, 0.081 and 60 kV / mm, respectively.

(Ausführungsbeispiel 8)(Embodiment 8)

Unter Verwendung des gleichen Piezoelements 80 wie in Ausführungsbeispiel 7 wurde die piezoelektrische Vorrichtung 1 des Ausführungsbeispiels 8 konfiguriert. Die Stromüberwachungsschaltung 30 in der piezoelektrischen Vorrichtung 1 wurde in diesem Fall in der gleichen Weise wie in Ausführungsbeispiel 2 eingestellt. Die piezoelektrische Konstante wurde in der gleichen Weise wie in Ausführungsbeispiel 1 berechnet.Using the same piezoelectric element 80 as in Embodiment 7, the piezoelectric device was constructed 1 of the embodiment 8 configured. The current monitoring circuit 30 in the piezoelectric device 1 was set in the same manner as in Embodiment 2 in this case. The piezoelectric constant was determined in the same manner as in the embodiment 1 calculated.

(Ausführungsbeispiel 9)(Embodiment 9)

Unter Verwendung des gleichen Piezoelements 80 wie in Ausführungsbeispiel 7 wurde die piezoelektrische Vorrichtung 1 des Ausführungsbeispiels 9 konfiguriert. Die Treiberschaltung 20 in der piezoelektrischen Vorrichtung 1 wurde in diesem Fall in der gleichen Weise wie in Ausführungsbeispiel 3 eingestellt. Die piezoelektrische Konstante wurde in der gleichen Weise wie in Ausführungsbeispiel 1 berechnet.Using the same piezoelectric element 80 as in Embodiment 7, the piezoelectric device was constructed 1 of the embodiment 9 configured. The driving circuit 20 in the piezoelectric device 1 was set in the same manner as in Embodiment 3 in this case. The piezoelectric constant was calculated in the same manner as in Embodiment 1.

(Vergleichsbeispiel 3)(Comparative example 3)

Unter Verwendung des gleichen Piezoelements 80 wie in Ausführungsbeispiel 7 wurde die piezoelektrische Vorrichtung 1 des Vergleichsbeispiels 3 konfiguriert. Die Treiberschaltung 20 in der piezoelektrischen Vorrichtung 1 wurde in diesem Fall in der gleichen Weise wie in Vergleichsbeispiel 1-3 eingestellt. Die piezoelektrische Konstante wurde in der gleichen Weise wie in Ausführungsbeispiel 1 berechnet.Using the same piezoelectric element 80 as in Embodiment 7, the piezoelectric device was constructed 1 of Comparative Example 3 configured. The driving circuit 20 in the piezoelectric device 1 in this case was set in the same manner as in Comparative Example 1-3. The piezoelectric constant was calculated in the same manner as in Embodiment 1.

(Ausführungsbeispiele 10 bis 17)(Examples 10 to 17)

Das Material (K0,5Na0,5) NbO3 für die Piezoschicht 82 wurde unter einer Temperatur 700° C abgeschieden, um die Filmdicke zu verändern. Die Filmdicke der Piezoschicht 82 (KNN3) betrug dabei jeweils 1,0 µm, 1,4 µm, 1,6 µm, 2,1 µm, 2,5 µm, 2,9 µm, 3,1 µm und 3,5 µm. Die Elemente außer der Piezoschicht 82 konfigurierten die piezoelektrische Vorrichtung 1 der Ausführungsbeispiele 10 bis 17 wie in Ausführungsbeispiel 3. Die piezoelektrische Konstante wurde in der gleichen Weise wie in Ausführungsbeispiel 1 berechnet. Ec-, Ec+, y und EuI der Piezoschicht 82 betrugen dabei jeweils ca. 0,8 kV/mm, 0,4 kV/mm, 0,088 und 100 kV/mm.The material (K 0, 5 Na 0. 5) NbO 3 for the piezoelectric layer 82 was deposited under a temperature 700 ° C, in order to change the film thickness. The film thickness of the piezo layer 82 (KNN3) was 1.0 µm, 1.4 µm, 1.6 µm, 2.1 µm, 2.5 µm, 2.9 µm, 3.1 µm and 3.5 µm, respectively . The elements other than the piezo layer 82 configured the piezoelectric device 1 of Embodiments 10 to 17 as in Embodiment 3. The piezoelectric constant was calculated in the same manner as in Embodiment 1. Ec-, Ec +, y and EuI of the piezo layer 82 were approx. 0.8 kV / mm, 0.4 kV / mm, 0.088 and 100 kV / mm, respectively.

Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse der Messung von Pm', Pr', (Pm'- Pr')/0,1, Ec-, Ec+, 5Ec+ und 50Ec+ des Piezoelements, das in den Vergleichsbeispielen 1-1 bis 1-3, 2 und 3 sowie in den Ausführungsbeispielen 1 bis 17 verwendet wurde, der Filmdicke t der Piezoschicht, der von der Stromüberwachungsschaltung des Piezolements erhaltenen EII und EuI, der von der Treiberschaltung erhaltenen Emin und Emax sowie der piezoelektrischen Konstante -d31.Table 1 shows the results of measurement of Pm ', Pr', (Pm'-Pr ') / 0.1, Ec-, Ec +, 5Ec + and 50Ec + of the piezo element used in Comparative Examples 1-1 to 1-3, 2 and 3 as well as in the exemplary embodiments 1 to 17, the film thickness t of the piezo layer, the EII and EuI obtained from the current monitoring circuit of the piezo element, the Emin and Emax obtained from the drive circuit, and the piezoelectric constant -d31.

Figure DE102015101817B4_0002
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Die piezoelektrische Vorrichtung 1 der Ausführungsbeispiele 1 bis 17, bei der das elektrische Treiberfeld durch die Treiberschaltung 20 auf einen vorgegebenen Wert gesteuert wurde, erhielt eine höhere piezoelektrische Konstante als bei der piezoelektrischen Vorrichtung in den Vergleichsbeispielen 1-1 bis 1-3, 2 und 3 ohne diese Bedingung. Dadurch wurde bestätigt, dass die piezoelektrische Vorrichtung 1 der vorliegenden Erfindung in dem Bereich angetrieben wird, in dem die Verschiebung in Bezug auf das elektrische Feld effizienter erzielt werden kann.The piezoelectric device 1 of Embodiments 1 to 17 in which the driving electric field was controlled to a predetermined value by the driving circuit 20 was given a higher piezoelectric constant than the piezoelectric device in Comparative Examples 1-1 to 1-3, 2 and 3 without this condition. This confirmed that the piezoelectric device 1 of the present invention is driven in the range in which the displacement with respect to the electric field can be achieved more efficiently.

Die piezoelektrische Vorrichtung 1 der Ausführungsbeispiele 2, 3, 5, 6, 8, 9 bis 17, die ein Mittel aufweist, das das positive elektrische Feld in die Richtung mit einem kleinen Absolutwert des elektrischen Koerzitivfeldes und das negative elektrische Feld in die Richtung mit einem großen Absolutwert des elektrischen Koerzitivfeldes anlegt, erhielt eine höhere piezoelektrische Konstante als bei der piezoelektrischen Vorrichtung 1 der Ausführungsbeispiele 1, 4 und 7. Dadurch wurde bestätigt, dass diese piezoelektrischen Vorrichtungen in dem Bereich des elektrischen Feldes angetrieben werden, in dem das Ausmaß der Verschiebung des Piezoelements noch größer ist, weil noch größere Verschiebungen vermutlich aufgrund der Drehung des elektrischen Dipols in der Domäne der Kristallpartikel erhalten werden.The piezoelectric device 1 of embodiments 2, 3, 5, 6, 8, 9 to 17, which has a means that the positive electric field in the direction with a small absolute value of the electric coercive field and the negative electric field in the direction with a large absolute value of the electric Coercive field applied, obtained a higher piezoelectric constant than that of the piezoelectric device 1 of the exemplary embodiments 1 , 4 and 7. This confirmed that these piezoelectric devices are driven in the electric field area where the amount of displacement of the piezo element is larger because larger displacements are presumably due to the rotation of the electric dipole in the domain of the crystal particles can be obtained.

Die piezoelektrischen Vorrichtungen 1 in den Ausführungsbeispielen 3, 6, 9 bis 17, die den Minimalwert Emin des elektrischen Treiberfeldes auf mehr als fünffach von Ec+ und den Maximalwert Emax des elektrischen Treiberfeldes auf weniger als fünfzigfach von Ec+ einstellte, erzielten eine noch höhere piezoelektrische Konstante. Dadurch wurde bestätigt, dass die piezoelektrischen Vorrichtungen durch die Verschiebung aufgrund der Drehung des elektrischen Dipols in der Domäne der Kristallpartikel in dem Bereich des elektrischen Feldes angetrieben werden, in dem das Ausmaß der Verschiebung des Piezoelements noch größer ist.The piezoelectric devices 1 in Embodiments 3, 6, 9 to 17, which set the minimum value Emin of the driving electric field to more than five times Ec + and the maximum value Emax of the driving electric field less than fifty times Ec +, achieved an even higher piezoelectric constant. From this, it was confirmed that the piezoelectric devices are driven by the displacement due to the rotation of the electric dipole in the domain of the crystal particles in the area of the electric field where the amount of displacement of the piezo element is even larger.

In den Ausführungsbeispielen 10 bis 17 war die Tendenz ersichtlich, dass die piezoelektrische Konstante erhöht wird, wenn die Filmdicke der Piezoschicht 82 von 1,0 µm steigt, und dass die piezoelektrische Konstante sich ab 2,5 µm senkt. Das ist darauf zurückzuführen, dass die Zunahme der Filmdicke der Piezoschicht 82 zwar eine Verbesserung der Kristallinität und eine Erhöhung der piezoelektrischen Konstante fördert, aber die Kristallinität der ersten Elektrodenschicht 81 ab um 2,5 µm nicht mehr übernommen werden kann, und sich dann die Kristalle mit unterschiedlichen Orientierungen vermehren.In Embodiments 10 to 17, there was a tendency that the piezoelectric constant increases as the film thickness of the piezoelectric layer 82 increases from 1.0 µm and that the piezoelectric constant decreases from 2.5 µm. This is due to the fact that the increase in the film thickness of the piezo layer 82 promotes an improvement in the crystallinity and an increase in the piezoelectric constant, but the crystallinity of the first electrode layer 81 can no longer be adopted from around 2.5 μm, and then the crystals multiply with different orientations.

Darüber hinaus kann die ausreichend hohe piezoelektrische Konstante mit der piezoelektrischen Vorrichtung unter Verwendung einer Schaltung realisiert werden, die das elektrische Treiberfeld in einem geeigneten Bereich steuert.In addition, the sufficiently high piezoelectric constant can be realized with the piezoelectric device using a circuit that controls the driving electric field in an appropriate range.

Oben wurden die bevorzugten erfindungsmäßigen Ausführungsformen erläutert. Die vorliegende Erfindung wird aber nicht auf die obigen Ausführungsformen beschränkt, sondern kann im Umfang der erfindungsmäßigen Absicht noch durch unterschiedliche Änderungen erweitert werden, welche selbstverständlich auch zur vorliegenden Erfindung gehören.The preferred embodiments according to the invention have been explained above. However, the present invention is not restricted to the above embodiments, but can be expanded within the scope of the inventive intention by various changes which of course also belong to the present invention.

Beispielsweise ist in den obigen Ausführungsformen die Stromüberwachungsschaltung 30 zusätzlich zur Treiberschaltung 20 vorgesehen. Die Stromüberwachungsschaltung 30 ist aber nicht unbedingt notwendig. Denn die Wirkung der vorliegenden Erfindung kann auch bei der Konfiguration ohne Stromüberwachungsschaltung 30 erzielt werden, wenn ein geeigneter Bereich für das elektrische Treiberfeld des Piezoelements 80 durch eine Sondenmessung usw. bestätigt werden kann. In dem Fall ist das Schaltmittel 40 natürlich unnötig.For example, in the above embodiments, the current monitoring circuit 30 is provided in addition to the driver circuit 20. The current monitoring circuit 30 is not absolutely necessary, however. This is because the effect of the present invention can be obtained even in the configuration without the current monitoring circuit 30 if an appropriate range for the driving electric field of the piezoelectric element 80 can be confirmed by a probe measurement and so on. In that case, the switching means 40 is of course unnecessary.

In den obigen Ausführungsbeispielen wurde übrigens das Piezoelement 80 unter Verwendung der Treiberschaltung 20 und der externen Stromquelle 51 angetrieben. Es ist aber auch möglich, das Piezoelements 80 anhand einer anderen Stromquelle der piezoelektrischen Vorrichtung anzutreiben.Incidentally, in the above exemplary embodiments, the piezo element 80 was driven using the drive circuit 20 and the external power source 51. However, it is also possible to drive the piezo element 80 using a different power source of the piezoelectric device.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
piezoelektrische Vorrichtungpiezoelectric device
200200
KopfanordnungHead arrangement
300300
PiezoaktorPiezo actuator
700700
FestplattenlaufwerkHard disk drive
800800
TintenstrahldruckerapparatInk jet printer apparatus

Claims (7)

Piezoelektrische Vorrichtung mit einem Piezoelement umfassend eine Piezoschicht und Elektrodenschichten, zwischen denen die Piezoschicht angeordnet ist, und mit einer Treiberschaltung, die ein elektrisches Treiberfeld mit Wechselstrom über die Elektrodenschichten an die Piezoschicht anlegt, wobei die Polarisierbarkeit γ der Piezoschicht beim Anlegen eines elektrischen Feldes bis zur Sättigungspolarisation kleiner als 1 × 10-9 (C/(V·m) beträgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Treiberschaltung ein Mittel, das den Minimalwert des elektrischen Treiberfeldes auf größer als das positive elektrische Koerzitivfeld der Piezoschicht einstellt, und ein Mittel, das den Maximalwert des elektrischen Treiberfeldes auf kleiner als (Pm' (Maximalwert der Polarisation) - Pr' (Quasi-Restpolarisation)) / (1 × 10-9) einstellt, aufweist, wobei die Polarisierbarkeit y = (Pm (Sättigungspolarisation) - Pr (Restpolarisation)) / Ed (Maximalwert des angelegten elektrischen Feldes) beträgt.Piezoelectric device with a piezo element comprising a piezo layer and electrode layers, between which the piezo layer is arranged, and with a driver circuit that applies an electric driver field with alternating current via the electrode layers to the piezo layer, the polarizability γ of the piezo layer when an electric field is applied up to Saturation polarization is less than 1 × 10 -9 (C / (V · m), characterized in that the driver circuit has a means that sets the minimum value of the electrical drive field to be greater than the positive electrical coercive field of the piezo layer, and a means that sets the Maximum value of the electric driver field to less than (Pm '(maximum value of the polarization) - Pr' (quasi-residual polarization)) / (1 × 10 -9 ), the polarizability y = (Pm (saturation polarization) - Pr (residual polarization )) / Ed (maximum value of the applied electric field). Piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezoschicht auf der positiven und negativen Seite des elektrischen Feldes jeweils ein elektrisches Koerzitivfeld umfasst, und dass die Treiberschaltung ein Mittel aufweist, das ein positives elektrisches Feld in die Richtung mit einem kleinen Absolutwert des elektrischen Koerzitivfeldes und ein negatives elektrisches Feld in die Richtung mit einem großen Absolutwert des elektrischen Koerzitivfeldes anlegt.Piezoelectric device according to Claim 1 , characterized in that the piezo layer on the positive and negative side of the electric field each comprises an electric coercive field, and that the driver circuit has a means that a positive electric field in the direction with a small absolute value of the electric coercive field and a negative electric field is applied in the direction with a large absolute value of the coercive electric field. Piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Treiberschaltung ein Mittel aufweist, das den Minimalwert des elektrischen Treiberfeldes auf mehr als fünffach vom positiven elektrischen Koerzitivfeld der Piezoschicht sowie den Maximalwert des elektrischen Treiberfeldes auf weniger als fünfzigfach vom positiven elektrischen Koerzitivfeld der Piezoschicht einstellt.Piezoelectric device according to Claim 1 , characterized in that the driver circuit has a means which sets the minimum value of the electrical driver field to more than five times the positive electrical coercive field of the piezo layer and the maximum value of the electrical driver field to less than fifty times the positive electrical coercive field of the piezo layer. Piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezoschicht des Piezoelements aus Kaliumnatriumniobat besteht.Piezoelectric device according to Claim 1 , characterized in that the piezo layer of the piezo element consists of potassium sodium niobate. Piezoaktor unter Verwendung einer piezoelektrischen Vorrichtung nach Anspruch 1.Piezo actuator using a piezoelectric device according to Claim 1 . Festplattenlaufwerk mit einem Piezoaktor nach Anspruch 5.Hard disk drive with a piezo actuator Claim 5 . Tintenstrahldruckerapparat mit einem Piezoaktor nach Anspruch 5.Inkjet printer apparatus with a piezo actuator according to Claim 5 .
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